CN109811262B - 一种2.25Cr1Mo0.25V钢大壁厚加氢锻件的制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种2.25Cr1Mo0.25V钢大壁厚加氢锻件的制造工艺，制造工艺包括：先将预备热处理后的锻件加热至300℃‑350℃保温2‑6h，再加热至710±10℃保温4‑8h，再升温至930℃‑960℃保温8‑12h，出炉水冷；再将出炉水冷后的锻件加热至300℃‑350℃保温2‑6h，再加热至690±10℃保温10‑14h，出炉空冷，即得到符合要求的大壁厚加氢锻件；其中，2.25Cr1Mo0.25V钢的化学成分按重量百分比计为：C 0.13‑0.16%，Si≤0.1%，Mn 0.50‑0.60%，P≤0.008%，S≤0.005%，Cr 2.40‑2.60%，Mo 0.95‑1.04%，V 0.28‑0.35%，Ti≤0.03%，B 0.001‑0.002%，Nb 0.03‑0.05%，Ni 0.15‑0.20%，Al 0.02‑0.04%，As≤0.007%，Sn≤0.004%，Sb≤0.003%，Cu≤0.08%，Ca≤0.015%，[H]≤0.00015%，[O]≤0.0020%，[N]≤0.008%，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明中锻件用2.25Cr1Mo0.25V钢的化学成分配合该制造工艺，使得到的大壁厚加氢锻件的综合性能优良，组织均匀细小。
Description
技术领域
本发明涉及大壁厚加氢锻件工艺技术领域，具体的说是一种2.25Cr1Mo0.25V钢大壁厚加氢锻件的制造工艺。
背景技术
随着能源需求的日益紧张，石化设备的需求量也逐渐增大。加氢反应器作为大壁厚加氢锻件的代表，其是石油炼化行业的主反应装置，工作环境比较复杂，由于其内部工作介质为油气、氢气、硫化氢等腐蚀性物质，在高温高压等复杂条件下进行长时间工作，且大壁厚加氢锻件由于厚度较大，加热、冷却时，温度的变化和分布不均匀性大而导致其综合性能较差。
2.25Cr1Mo0.25V钢属低合金耐热钢，是改进型的大壁厚锻件用钢，由于材料中加入了铬、钼、钒、钛等合金元素，与传统2.25Cr1Mo钢相比具有强度高、抗氢蚀、抗氢脆、抗回火脆性等诸多优点，且恰当的热处理工艺可以消除焊接等制造过程中造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使钢的组织和性能更加均匀。因此，要想使大壁厚加氢锻件获得良好的综合力学性能，需要对材料的化学成分配比进行优化的基础上，选择合适的热处理工艺。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种组织均匀细小，综合性能优良的2.25Cr1Mo0.25V钢大壁厚加氢锻件的制造工艺，其中，加氢锻件的壁厚大于250mm。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：
一种2.25Cr1Mo0.25V钢大壁厚加氢锻件的制造工艺，具体包括以下步骤：
步骤(1)、将预备热处理后的由2.25Cr1Mo0.25V钢锻造的大壁厚加氢锻件加热至300℃-350℃保温2-6h，以≤80℃/h的升温速率加热至710±10℃保温4-8h，再升温至930℃-960℃保温8-12h，出炉水冷；
步骤(2)、将步骤(1)出炉水冷后的大壁厚加氢锻件加热至300℃-350℃保温2-6h，以≤50℃/h的升温速度加热至690±10℃保温10-14h，出炉空冷，即得到符合要求的大壁厚加氢锻件；
其中，2.25Cr1Mo0.25V钢的化学成分按重量百分比计为：C0.13-0.16％，Si≤0.1％，Mn 0.50-0.60％，P≤0.008％，S≤0.005％，Cr2.40-2.60％，Mo 0.95-1.04％，V0.28-0.35％，Ti≤0.03％，B 0.001-0.002％，Nb 0.03-0.05％，Ni 0.15-0.20％，Al0.02-0.04％，As≤0.007％，Sn≤0.004％，Sb≤0.003％，Cu≤0.08％，Ca≤0.015％，[H]≤0.00015％，[O]≤0.0020％，[N]≤0.008％，余量为Fe及不可避免的杂质。
一个实施例中，步骤(1)中的预备热处理过程为：将大壁厚加氢锻件加热至600℃-650℃并保温2-6h；再升温至955±10℃保温4-6h，降温至300-340℃并保温5-7h；再升温至670±10℃并保温6-8h，再升温至930±10℃并保温5-7h，降温至300-340℃并保温8-12h；再升温至720±10℃并保温40-44h，先降温至400℃，再降温至低于180℃时出炉空冷。
另一个实施例中，步骤(1)中的预备热处理过程为：将由2.25Cr1Mo0.25V钢锻造的大壁厚加氢锻件加热至600℃-650℃后，保温2-6h；以≤60℃/h的升温速率加热至910±10℃并保温，保温时间按照壁厚2h/100mm计算；再以≤15℃/h的降温速率降温至650±10℃之后进行保温，保温时间按照壁厚2h/100mm计算；最后进行冷却；
其中，2.25Cr1Mo0.25V钢的化学成分按重量百分比计为：C 0.15％，Si 0.07％，Mn0.57％，P 0.0047％，S 0.0005％，Cr 2.47％，Mo 1.02％，V 0.32％，Ti 0.015％，B0.0016％，Nb 0.038％，Ni 0.18％，Al 0.04％，As 0.0053％，Sn 0.0025％，Sb 0.0013％，Cu 0.025％，Ca 0.001％，[H]0.0001％，[O]≤0.0012％，[N]≤0.0072％，余量为Fe及不可避免的杂质。
其中，步骤(1)为2.25Cr1Mo0.25V钢的预备热处理，步骤(2)为2.25Cr1Mo0.25V钢的淬火处理，步骤(3)为2.25Cr1Mo0.25V钢的回火处理。
优选地，所述预备热处理过程中最后进行冷却的方法为先随炉冷却至250℃-300℃，再出炉空冷。
优选地，所述步骤(1)中710±10℃保温4-8h结束后，先以≤50℃/h的升温速度加热至850℃-860℃，再以≤20℃/h的升温速度加热至930℃-960℃。
优选地，所述步骤(1)中出炉水冷时控制水温≤25℃。
优选地，所述步骤(1)中大壁厚加氢锻件出炉水冷方法为：将出炉的大壁厚加氢锻件完全入水保持2min再迅速提出，上下窜动10分钟，再将锻件入水。
本发明中大壁厚加氢锻件用2.25Cr1Mo0.25V钢的化学成分中各元素的作用如下：
通过优化加氢锻件用2.25Cr1Mo0.25V钢的成分配比，根据微合金元素对钢的强化和韧化机理，本发明通过添加Nb、Ti、B微合金元素，提高材料的综合力学性能，尤其是材料的强度和低温冲击韧性。Nb、Ti合金元素与碳、氮、氧元素有着极强的亲和力，可形成稳定的碳氮化物，以第二相质点沉淀析出，产生析出强化，使微合金化钢的强度得以提高；同时其碳氮化物在高温下很稳定，有强烈的细化晶粒，也能提高钢的韧性和降低韧脆转变温度。微量元素B以间隙原子固溶于基体中可以提高材料的淬透性和固溶强度，产生相变强化和固溶强化。V元素是强碳化物形成元素，其与碳元素形成的稳定的碳化物改善了耐氢侵蚀性，且通过V元素的微细化增加了氢的格栅部位以抑制氢脆化；其次，V以独立的弥散分布的碳化钒细质点存在，一方面可提高钢的强度，另一方面，可以细化晶粒，提高锻件的强韧性。
淬火水冷时采用提淬法来控制工件温度，使工件处于安全的温度范围内，如果一直置于水中，大型锻件会由于水的冷却能力激烈，会导致工件淬火时产生畸变和裂纹，而提淬法能使工件已经有组织转变的部分进行自身回火，同时其他没有转变的温度高的部分继续进行组织转变，最终使工件整体达到合适的温度，保持一定时间后入炉保温一定时间，使其继续完成组织转变后再继续升温回火。
在淬火处理和回火处理前都会先将大壁厚加氢锻件加热至300-350℃保温一段时间，其目的是均匀化壁厚心部与表面之间的温差，由于大壁厚锻件在加热过程中心部及表面温度存在较大的差异，即心部与表面之间的热应力较大，如果热应力超过材料的屈服极限就会导致变形，超过强度极限就会导致开裂。而选择在300-350℃进行保温，能够降低前期工件在加热过程中的温度应力。
淬火处理过程中，在710±10℃保温结束后，先以≤50℃/h的升温速度加热至860℃，再以≤20℃/h的升温速度加热至950±10℃，其目的是：缓慢升温可使组织中的杂质偏聚浓度减小，均匀化晶粒度。由于在加热过程中的缓慢升温使得晶粒度长大过程中得到的能量更为充分，可充分消除组织遗传带来的影响，使晶粒度的大小更为均匀化，经快速淬火后组织更为均衡。
有益效果：
如上所述，本发明的一种2.25Cr1Mo0.25V钢大壁厚加氢锻件的制造工艺，具有以下有益效果：
1：通过合理调整大壁厚加氢锻件用2.25Cr1Mo0.25V钢的化学成分，优化Si、V、B、Nb、Ni和Al元素的含量，结合优化的预备热处理和性能热处理，从而使热处理后的锻件消除组织遗传效应，最终获得均匀细小的贝氏体组织，改善材料的综合性能，尤其是具有更高强度的同时具有高的低温冲击性能。
2：先对2.25Cr1Mo0.25V钢大壁厚加氢锻件进行预备热处理，可以消除大壁厚加氢锻件中的某些缺陷，改善大壁厚加氢锻件内部组织及晶粒度，消除内应力，进一步降低氢的含量并使其尽可能均匀分布，为后续的性能热处理做好准备。由于2.25Cr1Mo0.25V钢具有明显的组织遗传性，容易出现混晶和粗晶现象，预备热处理工艺可以使得材料获得平衡组织消除组织遗传，保证在后续的性能热处理时得到均匀细小的晶粒，从而形成均匀细小的贝氏体组织，保证其综合力学性能。
3：对于大壁厚加氢锻件，心部性能成为制约锻件成功制造的关键因素之一，性能热处理通过合理选择奥氏体化温度、保温时间、冷却速度和参数，使锻件最终获得良好的综合力学性能，因此，在预备热处理后进行淬火和回火能够使2.25Cr1Mo0.25V钢加氢锻件获得细小均匀的下贝氏体组织，抑制铁素体、珠光体和上贝氏体组织的产生，保证加氢锻件力学性能的稳定性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1是实施例1得到的大壁厚加氢锻件制备的试样的金相图。
图2是实施例2得到的大壁厚加氢锻件制备的试样的金相图。
图3是实施例3得到的大壁厚加氢锻件制备的试样的金相图。
图4是实施例4得到的大壁厚加氢锻件制备的试样的金相图。
具体实施方式
现在对本发明的实施方案进行说明。
本发明的实施方案涉及一种2.25Cr1Mo0.25V钢大壁厚(壁厚大于250mm)加氢锻件的制造工艺，保证其经模拟焊后热处理后的室温力学性能、高温力学性能以及低温冲击韧性，抗回火脆性及高温持久强度等综合力学性能满足标准要求，并使其常规力学性能合格率达到100％。
在本发明的说明书以及下述实施例中，除特别说明，“％”表示重量百分比。
一种大壁厚加氢锻件用2.25Cr1Mo0.25V钢的化学成分为：C 0.13-0.16％，Si≤0.1％，Mn 0.5-0.6％，P≤0.008％，S≤0.005％，Cr 2.4-2.6％，Mo 0.95-1.04％，V 0.28-0.35％，Ti≤0.03％，B 0.001-0.002％；Nb 0.03-0.05％，Ni 0.15-0.20％，Al 0.02-0.04％，As≤0.007％，Sn≤0.004％，Sb≤0.003％，Cu≤0.08％，Ca≤0.015％，[H]≤0.00015％，[O]≤0.0020％，[N]≤0.0080％，余量为Fe及不可避免的杂质。
其中，实施例1和实施例2采用的是一种组分的2.25Cr1Mo0.25V钢，实施例3和实施例4采用的是另一种组分的2.25Cr1Mo0.25V钢。
实施例1和实施例2采用的2.25Cr1Mo0.25V钢的组分为：C 0.15％，Si 0.07％，Mn0.57％，P 0.0047％，S 0.0005％，Cr 2.47％，Mo 1.02％，V 0.32％，Ti 0.015％，B0.0016％，Nb 0.038％，Ni 0.18％，Al 0.04％，As 0.0053％，Sn 0.0025％，Sb 0.0013％，Cu 0.025％，Ca 0.001％，[H]0.00010％，[O]≤0.0012％，[N]≤0.0072％，余量为Fe及不可避免的杂质。
实施例3和实施例4采用的2.25Cr1Mo0.25V钢的组分为：C 0.14％，Si 0.097％，Mn0.55％，P 0.0062％，S 0.0005％，Cr 2.49％，Mo 1.09％，V 0.32％，Ti 0.015％，B0.0014％，Nb 0.022％，Ni 0.17％，Al 0.0016，As 0.0053％，Sn 0.0025％，Sb 0.0013％，Cu 0.025％，Ca 0.001％，[H]0.00010％，[O]≤0.0012％，[N]≤0.0072％，余量为Fe及不可避免的杂质。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
预备热处理：将大壁厚加氢锻件放入热处理炉内，600℃保温2h，热处理炉以≤60℃/h的升温速度加热至910±10℃保温，保温时间：根据壁厚2h/100mm，再以≤15℃/h降温650±10℃保温，保温时间：根据壁厚2h/100mm，随炉冷却到300℃出炉空冷；
淬火：将预备热处理后的锻件在300℃保温2h，以≤80℃/h的升温速度加热至710±10℃保温4h，以≤50℃/h的升温速度加热至950±10℃保温8h，出炉水冷90分钟；
回火：将淬火后的大壁厚加氢锻件加热至300℃保温2h，以≤50℃/h的升温速度加热至690±10℃保温10h，出炉空冷，得到符合设计要求的大壁厚加氢锻件。
实施例2
预备热处理：将大壁厚加氢锻件放入热处理炉内，650℃保温6h，热处理炉以≤60℃/h的升温速度加热至910±10℃保温，保温时间：根据壁厚2h/100mm，再以≤15℃/h降温650±10℃保温，保温时间：根据壁厚2h/100mm，随炉冷却到250℃出炉空冷；
淬火：将退火后的锻件在350℃保温6h，以≤80℃/h的升温速度加热至710±10℃保温8h，以≤50℃/h的升温速度加热至950±10℃保温12h，出炉水冷90分钟；
回火：将淬火后的锻件加热至350℃保温6h，以≤50℃/h的升温速度加热至690±10℃保温14h，出炉空冷，得到符合设计要求的大壁厚加氢锻件。
实施例3
预备热处理：将大壁厚加氢锻件加热至600℃-650℃并保温2-6h；再升温至955±10℃保温4-6h，降温至300-340℃并保温5-7h；再升温至670±10℃并保温6-8h，再升温至930±10℃并保温5-7h，降温至300-340℃并保温8-12h；再升温至720±10℃并保温40-44h，先降温至400℃，再降温至低于180℃时出炉空冷。
淬火：将预备热处理后的大壁厚加氢锻件在300℃保温2h，以≤80℃/h的升温速度加热至710±10℃保温4h，以≤50℃/h的升温速度加热至940±10℃保温8h，出炉水冷90分钟；
回火：将淬火后的锻件加热至300℃保温2h，以≤50℃/h的升温速度加热至690±10℃保温10h，出炉空冷，得到符合设计要求的大壁厚加氢锻件。
实施例4
实施例4的制造工艺与实施例3的制造工艺相同。
效果实施例
(1)、2.25Cr1Mo0.25V钢大壁厚加氢锻件的模拟焊后热处理性能分析
由于Cr-Mo钢存在不同程度的回火脆化倾向，为验证锻件在焊后热处理也有足够好的性能，在锻件关键部位取试样进行力学性能和显微组织检测。其中，所有力学性能检测试样在进行检测之前需进行模拟焊后热处理，模拟焊后热处理包括最大模拟焊后热处理和最小模拟焊后热处理，其中最大模拟焊后热处理工艺为：将试样于<400℃时装炉，以<55℃/h的升温速率升温至705±10℃保温32h，再以<55℃/h的降温速率降温至400℃出炉。最小模拟焊后热处理工艺为：将试样于<400℃时装炉，以<55℃/h的升温速率升温至705±10℃保温8h，再以<55℃/h的降温速率降温至400℃出炉。因此，对制备的试样分别进行最大模拟焊后热处理和最小模拟焊后热处理的性能检测，检测结果如表1和表2所示。
表1实施例1-4制备的大壁厚加氢锻件的最大模拟焊后热处理的性能
表2实施例1-4中得到的大壁厚加氢锻件的最小模拟焊后热处理的性能
由表1和表2可知，实施例1-4得到的大壁厚加氢锻件的最大模拟焊后热处理性能和最小模拟焊后热处理性能均符合大壁厚加氢锻件的要求。实施例1与实施例2得到的大壁厚加氢锻件的最大模拟焊后热处理性能和最小模拟焊后热处理性能均优于实施例3和实施例4得到的大壁厚加氢锻件。故实施例1与实施例2的2.25Cr1Mo0.25V钢与制造工艺的协同作用使得大壁厚加氢锻件的模拟焊后热处理性能更优。
(2)、大壁厚加氢锻件的回火脆性敏感性评定、奥氏体晶粒度分析
实施例1-4得到的大壁厚加氢锻件的回火脆性敏感性评定、奥氏体晶粒度如表3所示。
表3实施例1-4得到的大壁厚加氢锻件的回火脆性敏感性评定、奥氏体晶粒度
| 回火脆性敏感性评定VTr54+3.0ΔVTr54/℃ | 奥氏体晶粒度 | |
| 实施例1 | -99.2 | 7.0级 |
| 实施例2 | -97.5 | 7.0级 |
| 实施例3 | -55.9 | 4.0级 |
| 实施例4 | -50.8 | 4.0级 |
由表3可知，实施例1-4得到的大壁厚加氢锻件的回火脆性敏感性评定结果和奥氏体晶粒度均符合大壁厚加氢锻件的要求。且实施例1和实施例2得到的大壁厚加氢锻件的回火脆性敏感性评定结果和奥氏体晶粒度均优于实施例3和实施例4得到的大壁厚加氢锻件的回火脆性敏感性评定和奥氏体晶粒度。
(3)、实施例1-4得到的大壁厚加氢锻件的显微组织分析
图1为实施例1得到的大壁厚锻件的显微组织，图2为实施例2得到的大壁厚锻件的显微组织，图3为实施例3得到的大壁厚锻件的显微组织，图4为实施例4得到的大壁厚锻件的显微组织。综合可知，实施例1-4得到的大壁厚锻件的显微组织均为贝氏体组织，组织均匀细小。其中，图1和图2中的贝氏体组织均匀细小，晶粒大小基本一致；图3和图4中的贝氏体组织比较粗大。
综合可知，本发明通过优化大壁厚加氢锻件用2.25Cr1Mo0.25V钢成分配比和合理选择热处理工艺，使得2.25Cr1Mo0.25V钢大壁厚加氢锻件具有均匀细小贝氏体组织，因此具有较高的常温和高温强度，良好的低温冲击韧性、抗回火脆性及较高的蠕变强度和高温持久强度。经多次生产验证测定其强度均满足ASME SA-336《Specification for AlloySteel Forgings for Pressure and High-Temperature Parts》的要求，各项性能指标均具有较大的富余量，综合性能优良。
以上对本发明所提供的一种2.25Cr1Mo0.25V钢大壁厚加氢锻件的制造工艺进行了详细介绍，本文虽然结合以上实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围以附上的权利要求所界定的为准。
Claims (5)
1.一种2.25Cr1Mo0.25V钢大壁厚加氢锻件的制造工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤（1）、将预备热处理后的由2.25Cr1Mo0.25V钢锻造的大壁厚加氢锻件加热至300℃-350℃保温2-6h，以≤80℃/h的升温速率加热至710±10℃保温4-8h，再以≤50℃/h的升温速率升温至950±10℃保温12h，出炉水冷；
步骤（2）、将步骤(1)出炉水冷后的大壁厚加氢锻件加热至300℃-350℃保温2-6h，以≤50℃/h的升温速度加热至690±10℃保温10-14h，出炉空冷，即得到符合要求的大壁厚加氢锻件；
其中，步骤(1)中的预备热处理过程为：将由2.25Cr1Mo0.25V钢锻造的大壁厚加氢锻件加热至600℃-650℃后，保温2-6h；以≤60℃/h的升温速率加热至910±10℃并保温，保温时间按照壁厚2h/100mm计算；再以≤15℃/h的降温速率降温至650±10℃之后进行保温，保温时间按照壁厚2h/100mm计算；最后进行冷却；
2.25Cr1Mo0.25V钢的化学成分按重量百分比计为：C 0.15%，Si 0.07%，Mn 0.57%，P0.0047%，S 0.0005%，Cr 2.47%，Mo 1.02%，V 0.32%，Ti 0.015%，B 0.0016%，Nb 0.038%，Ni0.18%，Al 0.04%，As 0.0053%，Sn 0.0025%，Sb 0.0013%，Cu 0.025%，Ca 0.001%，[H]0.0001%，[O]≤0.0012%，[N]≤0.0072%，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.一种2.25Cr1Mo0.25V钢大壁厚加氢锻件的制造工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤（1）、将预备热处理后的由2.25Cr1Mo0.25V钢锻造的大壁厚加氢锻件加热至300℃-350℃保温2-6h，以≤80℃/h的升温速率加热至710±10℃保温4-8h，再以≤50℃/h的升温速率升温至950±10℃保温12h，出炉水冷；
步骤（2）、将步骤(1)出炉水冷后的大壁厚加氢锻件加热至300℃-350℃保温2-6h，以≤50℃/h的升温速度加热至690±10℃保温10-14h，出炉空冷，即得到符合要求的大壁厚加氢锻件；
步骤(1)中的预备热处理过程为：将大壁厚加氢锻件加热至600℃-650℃并保温2-6h；再升温至955±10℃保温4-6h，降温至300-340℃并保温5-7h；再升温至670±10℃并保温6-8h，再升温至930±10℃并保温5-7h，降温至300-340℃并保温8-12h；再升温至720±10℃并保温40-44h，先降温至400℃，再降温至低于180℃时出炉空冷；
2.25Cr1Mo0.25V钢的化学成分按重量百分比计为：C 0.15%，Si 0.07%，Mn 0.57%，P0.0047%，S 0.0005%，Cr 2.47%，Mo 1.02%，V 0.32%，Ti 0.015%，B 0.0016%，Nb 0.038%，Ni0.18%，Al 0.04%，As 0.0053%，Sn 0.0025%，Sb 0.0013%，Cu 0.025%，Ca 0.001%，[H]0.0001%，[O]≤0.0012%，[N]≤0.0072%，余量为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种2.25Cr1Mo0.25V钢大壁厚加氢锻件的制造工艺，其特征在于，所述预备热处理过程最后进行冷却的方法为先随炉冷却至250℃-300℃，再出炉空冷。
4.根据权利要求1所述的一种2.25Cr1Mo0.25V钢大壁厚加氢锻件的制造工艺，其特征在于，所述步骤(1)中出炉水冷时控制水温≤25℃。
5.根据权利要求1所述的一种2.25Cr1Mo0.25V钢大壁厚加氢锻件的制造工艺，其特征在于，所述步骤(1)中大壁厚加氢锻件出炉水冷方法为：将出炉的大壁厚加氢锻件完全入水保持2min再迅速提出，上下窜动10分钟，再将锻件入水。
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